DE102005028024A1

DE102005028024A1 - Method and device for producing large-area atmospheric-pressure plasmas

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Publication number: DE102005028024A1
Application number: DE102005028024A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Hammer; Werner Dr. Hartmann; Michael Dr. Römheld
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2006-12-28
Also published as: WO2006134123A3; WO2006134123A2

Abstract

Zur Erzeugung großflächiger Atmosphärendruck-Plasmen wird eine DC-Koronaentladung erzeugt und der DC-Koronaentladung werden intensive, kurz andauernde Hochspannungsimpulse mit Impulswiederholraten zwischen einigen 10 Hz bis zu mehreren kHz überlagert. Bei der zugehörigen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist eine Einheit (1-5) zur Erzeugung einer Basis-Gleichspannung und einer der Gleichspannung überlagerten Impulsspannung vorhanden sowie weiterhin eine mechanische Anordnung aus wenigstens zwei Elektroden (10, 20, 30).To generate large-area atmospheric pressure plasmas, a DC corona discharge is generated and the DC corona discharge is superimposed on intensive, short-lasting high-voltage pulses with pulse repetition rates of between a few 10 Hz to several kHz. In the associated device for carrying out the method, there is a unit (1-5) for generating a base DC voltage and a pulse voltage superimposed on the DC voltage, and furthermore a mechanical arrangement of at least two electrodes (10, 20, 30).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung großflächiger Atmosphärendruckplasmen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The The invention relates to a method for producing large-area atmospheric pressure plasmas. In addition, the invention also relates to the associated device to carry out of the procedure.

Volumen mit einem hohen Gasdurchsatz sowie großflächige technische Oberflächen lassen sich bisher nur unzureichend mit Plasmen behandeln, um Gas- bzw. Oberflächeneigenschaften in gezielter Weise zu verändern. Für solche Aufgaben werden großvolumige Plasmareaktoren bzw. solche mit großem Plasmaquerschnitt benötigt, die aus Kostengründen bei Atmosphärendruck arbeiten sollten.volume with a high gas throughput as well as large-surface technical surfaces have so far been insufficiently treated with plasmas to gas or surface properties to change in a targeted way. For such Tasks become large-volume Plasma reactors or those with a large plasma cross section needed, the for cost reasons at atmospheric pressure should work.

Bekannte Plasmareaktoren erzeugen reaktive Gaskomponenten, die in industriellen Prozessen zur Änderung der Gaszusammensetzung, z. B, für die Abgasreinigung, oder der Eigenschaften von Oberflächen z. B für eine Oberflächenfunktionalisierung, beispielsweise bei Textilien, eingesetzt werden. Andere Anwendungsbereiche betreffen das Abscheiden von funktionalen Schichten, z. B. als Wasserdampfsperre oder dgl..Known Plasma reactors produce reactive gas components used in industrial applications Processes for change the gas composition, eg. B, for the Exhaust gas purification, or the properties of surfaces z. B for one surface functionalization, For example, in textiles, are used. Other applications relate to the deposition of functional layers, e.g. B. as a water vapor barrier or the like ..

Als großvolumige Plasmaquellen bzw. solche mit großem Querschnitt, z. B. für die Behandlung von Textilien, stehen heute vorwiegend Niederdruckplasmaquellen zur Verfügung, da bei höheren Drucken als typischerweise 1 mbar Entladungen bevorzugt lokalisiert brennen. Bekannte Quellen sind Hochvakuum-Plasmaquellen beispielsweise auf Magnetronbasis zur Abscheidung metallischer oder anderer anorganischer Schichten. Insbesondere sind eine Vielzahl von Radiofrequenz(RF)- und Mikrowellen-Plasmaquellen bekannt, mit denen im Niederdruckbereich Oberflächenfunktionalisierung, Schichtabscheidung, Schichtabtragung bzw. Oberflächenreinigung, sowie Gasphasen-Plasmachemie betrieben werden. Viele dieser Quellen arbeiten auch oder so gar vorwiegend mit Zusätzen von Reaktionsgasen, oftmals auch mit teuren Trägergasen wie Edelgase. All diesen Quellen ist gemeinsam, das die notwendigen, sehr aufwändigen Vakuumapparaturen und Gasbeimischungen zu hohen Betriebskosten führen, was bei vielen industriellen Prozessen unerwünscht ist.When high volume Plasma sources or those with a large cross-section, z. B. for the treatment of Textiles, are now mainly low-pressure plasma sources for available there at higher Printing typically localized to 1 mbar discharges burn. Well-known sources are, for example, high vacuum plasma sources on a magnetron basis for the deposition of metallic or other inorganic Layers. In particular, a variety of radio frequency (RF) - and microwave plasma sources with which in the low-pressure area surface functionalization, layer deposition, Layer removal or surface cleaning, and gas phase plasma chemistry are operated. Many of these sources work also or even predominantly with additions of reaction gases, often also with expensive carrier gases like noble gases. All these sources have in common that the necessary very elaborate Vacuum equipment and Gasbeimischungen lead to high operating costs, what is undesirable in many industrial processes.

Zur Erhöhung des Durchsatzes, zur Verringerung der Betriebskosten, und zur Realisierbarkeit mancher Prozesse ist es daher vorteilhaft oder sogar unabdingbar, dass die Plasmaerzeugung und Plasmaapplikation bei Atmosphärendruck, gegebenenfalls mit Luft als Trägergas, stattfindet.to increase the throughput, to reduce the operating costs, and the feasibility of some Processes, it is therefore advantageous or even essential that the Plasma generation and plasma application at atmospheric pressure, optionally with air as carrier gas, takes place.

Problematisch ist bei Letzterem die Gefahr, dass das erwünschte großvolumige Glimmentladungsplasma in das unerwünschte, auf kleine Volumenbereiche begrenzte Bogenplasma umschlägt, wenn man die Stromstärke erhöht. Um dies zu verhindern, sind verschiedene technische Realisierungsmöglichkeiten entwickelt worden. Gemäß J. Phys. D: Appl. Phys., 26 (1993), 1630-1637 wird eine stabile atmosphärische Entladung bei Verwendung einer Gleichspannung von bis zu 20 kV durch eine Kombination aus einem sehr großen transversalen Gasfluss (70 bis 200 m/s) und der Verwendung einer aus einer Vielzahl von jeweils über einen hochohmigen Widerstand angeschlossenen Nadelelektroden bestehenden Kathode erzielt. Ebenfalls mit Gleichspannung arbeitet ein in Appl. Phys. Lett. 68 (1996), 13 beschriebenes Verfahren, das als Kathode eine flächenhafte Anordnung von Mikro-Hohlkathodenentladungen einsetzt.Problematic in the latter case there is a risk that the desired bulky glow discharge plasma in the unwanted, arc plasma confined to small volume areas turns over when one the current strength elevated. To prevent this, there are various technical implementation options been developed. According to J. Phys. D: Appl. Phys., 26 (1993), 1630-1637 becomes a stable atmospheric discharge when using a DC voltage of up to 20 kV through a combination from a very big one transversal gas flow (70 to 200 m / s) and the use of one out a variety of each about a high-impedance resistor connected needle electrodes existing Achieved cathode. Also working with DC in Appl. Phys. Lett. 68 (1996), 13, which is referred to as cathode a planar Arrangement of micro-Hohlkathodenentladungen begins.

Eine alternative Methode gemäß J. Phys. D: Appl. Phys., 26 (1993), 889 verwendet Wechselspannung und ein dielektrisches Material auf mindestens einer Elektrode. In IEEE Trans. on Plasma Sci., 28 (2000), 189-200 wird ein großvolumiges atmosphärisches Plasma erzeugt, indem eine Kapillarelektrode aus dielektrischem Material verwendet wird. Dabei wird oberhalb einer Grenzfrequenz der anregenden Wechselspannung ein sog. Kapillar-Plasma-Jet zusätzlich zum diffusen Plasma erzeugt, der die Strom- und Elektronendichte drastisch erhöht. Gemäß IEEE Trans. on Plasma Sci., 30 (2002), 158-159 wird in einem Atmosphärendruckreaktor eine Elektrode, die mit einem Material mit hohem elektrischem Widerstand belegt ist, verwendet. Dadurch wird der Übergang zu einer Bogenentladung verhindert. Die Entladung lässt sich mit Gleichspannung oder auch mit Wechselspannung betreiben.A alternative method according to J. Phys. D: Appl. Phys., 26 (1993), 889 uses AC voltage and a dielectric material on at least one electrode. In IEEE Trans. On Plasma Sci., 28 (2000), 189-200 becomes a large volume atmospheric Plasma generated by a capillary electrode of dielectric Material is used. This is above a cutoff frequency the exciting AC voltage a so-called. Kapillar plasma jet in addition to produced diffuse plasma, which drastically reduces the current and electron density elevated. According to IEEE Trans. on Plasma Sci., 30 (2002), 158-159 is in an atmospheric pressure reactor an electrode made with a high electrical resistance material is used, used. This will transition to an arc discharge prevented. The discharge leaves operate with DC voltage or with AC voltage.

Gemeinsam bei den bekannten Technologien ist das kleine, typischerweise bei einigen 10 cm³ liegende Plasmavolumen. Ein weiteres Verfahren, das mit einem sog. „atmospheric glow discharge plasma" arbeitet, wird im US-Patent 5 414 324, und in IEEE Trans on Plasma Sci., 24 (1996), 1188-1191 beschrieben. Hierbei wird eine Wechselspannung mit einer Amplitude zwischen 1 und 5kV und einer Frequenz von typisch einigen kHz bis zu einigen 10 kHz, d.h. Radiofrequenz, verwendet. Die erreichbaren Plasmadichten sind auch hier wegen des bei höheren Stromdichten erfolgenden Umschlags in eine lokalisierte Entladung stark eingeschränkt.Common to the known technologies is the small plasma volume, typically at some 10 cm ³ . Another method which uses an "atmospheric glow discharge plasma" is described in US Patent 5,414,324 and in IEEE Trans on Plasma Sci., 24 (1996), 1188-1191 an amplitude between 1 and 5 kV and a frequency of typically a few kHz to a few 10 kHz, ie radio frequency, The achievable plasma densities are also severely restricted here because of the higher current densities in a localized discharge.

Anwendungen solcher Plasmen sind für unterschiedliche industrielle Bereiche bekannt: Insbesondere zum Bereich der plasmachemischen Abgasreinigung, z. B, in Verbrennungskraftwerken wird auf Proceedings IEEE Power Modulator Conference 2002, Hollywood, CA, USA (2002) verwiesen. Zum Bereich der Verbrennungsmotoren wird auf Applied Physics Letters (1996), vol. 68, no. 26, p. 3719-21, auf Plasma Chem. Plasma Proc. 21 (2001), p. 107-137 sowie auf „Digest of Technical Papers", 11th IEEE International Pulsed Power Conference, Baltimore, MD, USA, 29 June-2 July, 1997, p. 103-8, vol. 1 verwiesen. Der Bereich der Reinigung von Abluft, die z. B. mit Kohlenwasserstoffen, wie z. B. Lösungsmitteln, verunreinigt ist, wird schließlich in J. of Electrostatics, 57 (2003), 293-311 abgehandelt.Applications of such plasmas are known for different industrial areas: In particular, in the field of plasma-chemical emission control, z. B, in Combustion Power Plants, reference is made to Proceedings IEEE Power Modulator Conference 2002, Hollywood, CA, USA (2002). For combustion engines, Applied Physics Letters (1996), vol. 68, no. 26, p. 3719-21, on plasma Chem. Plasma Proc. 21 (2001), p. 107-137 as well as on "Digest of Technical Papers", 11th IEEE International Pulsed Power Conference, Baltimore, MD, USA, 29 June-2 July, 1997, pp. 103-8, vol 1. The field of purification of exhaust air which is contaminated with, for example, hydrocarbons, such as solvents, is finally discussed in J. of Electrostatics, 57 (2003), 293-311.

Bekannte Plasmaquellen zur Realisierung solcher großvolumiger oder großflächiger Plasmen sind wechselspannungsbetriebene AC) Koronaplasmen bei einigen kV bis zu wenigen 10 kV Betriebsspannung. Dazu werden gemäß „Digest of Technical Papers", 14th IEEE International Pulsed Power Conference, Dal las, TX, USA (2003), Impulskoronaplasmen, die mit aufwändig zu erzeugenden Hochspannungsimpulsen von einigen 10 kV betrieben werden, sowie gemäß der US 5 414 324 A und der WO 04/101 891 A1 RF-betriebene Hochdruck-Glimmentladungen mit Betriebsspannungen von einigen 100 V bis zu wenigen Kilovolt verwendet.Known plasma sources for realizing such large-volume or large-area plasmas are AC voltage-driven corona plasmas at a few kV up to a few 10 kV operating voltage. For this purpose, according to "Digest of Technical Papers", 14th IEEE International Pulse Power Conference, Dal las, TX, USA (2003), pulse corona plasmas, which are operated with elaborate high-voltage pulses of some 10 kV, as well as according to US 5 414 324 A and WO 04/101 891 A1 uses RF-operated high-pressure glow discharges with operating voltages of a few 100 V up to a few kilovolts.

Stand der Technik sind weiterhin dielektrische Barriereentladungen, die mit Wechselspannung oder Hochspannungsimpulsen im Bereich einiger kV bis zu mehreren 10 kV betrieben werden und bei der Oberflächenaktivierung z. B. in der Textilindustrie und der Kunststofffolienverarbeitung eingesetzt werden.was standing The art is still dielectric barrier discharges, the with alternating voltage or high voltage pulses in the range of some kV can be operated up to several 10 kV and in the surface activation z. In the textile industry and plastic film processing be used.

Großvolumige DC-Koronaentladungen sind vor allem aus dem Bereich der Rauchgasreinigung bekannt: Dazu wird auf die Monographie „Entstaubung industriellere Gase mit Elektrofiltern", VEB Deutscher in Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1969 und „Handbook of Electrostatic Processes", J.-S. Chang, A.J. Kelly, J.M. Crosley (editors), Marcel Dekker, New York, 1995.Large volume DC corona discharges are mainly known in the field of flue gas cleaning: For this purpose, the monograph "dedusting industrial gases with electrostatic precipitators ", VEB Deutscher in publishing house for basic industry, Leipzig, 1969 and "Handbook of Electrostatic Processes, J.-S. Chang, A.J. Kelly, J.M. Crosley (editors), Marcel Dekker, New York, 1995th

Bei letzterer Anwendung wird ein großvolumiges Koronaplasma in einer Draht-Platte-Anordnung mit allerdings sehr geringer Leistungsdichte erzeugt. Die Leistungsdichte insbesondere bei dem – dem Stand der Technik entsprechenden – DC-Betrieb ist hier allerdings nicht ausreichend, um plasmachemische Prozesse einzuleiten, vielmehr werden Rauchgasteilchen elektrisch geladen und elektrostatisch abgeschieden. Es ist bekannt, dieser DC-Entladung Hochspannungsimpulse mit Pulswiederholraten von wenigen 10 Hz zu überlagern, um die Staubabscheidung über eine stärkere Partikelaufladung zu verbessern, was in IEEE Trans. on Industry Appl., 24 (1988), 708-716 und in IEEE Trans. on Ind. Appl., 22, no.1, (1986), 86-90 beschrieben ist. Allerdings geht dieser Effekt wegen der bei höheren Impulswiederholraten auftretenden Raumladungseffekte schnell in Sättigung bzw. er kann die Staubabscheidung sogar verschlechtern. Die bei großtechnischen Anlagen erforderlichen hohen Impulsströme begrenzen zudem die technisch machbaren minimalen Impulsdauern auf Werte über 30 μs bis hin zu einigen 100 μs, so dass hier keine hohen Plasmadichten zu erzielen sind.at The latter application will produce a large volume coronasplasma a wire-plate arrangement but with very low power density generated. The power density especially in the - the state according to the technology - DC operation However, here is not enough to plasma-chemical processes rather, flue gas particles are electrically charged and electrostatically deposited. It is known, this DC discharge Superimpose high-voltage impulses with pulse repetition rates of a few 10 Hz, about the dust separation over a stronger one Particle charging to improve what is in IEEE Trans. On Industry Appl., 24 (1988), 708-716 and in IEEE Trans. On Ind. Appl., 22, no.1, (1986), 86-90. However, this effect works because of at higher Pulse repetition rates occurring space charge effects quickly in saturation or he may even worsen the dust separation. The at large-scale facilities required high pulse currents also limit the technically feasible minimum pulse durations Values over 30 μs to towards some 100 μs, so that high plasma densities can not be achieved here.

Um die sehr aufwändige Erzeugung von Hochspannungsimpulsen hoher Amplitude und Spitzenleistung zu umgehen, ist aus 16th Intern. Symp. on Plasma Chemistry (ISPC 16), Taormina, Italy, June 22-27, 2003 auch eine Problemlösung mit DC-Überlagerung bekannt. Dadurch wird eine deutliche Verbesserung der Energieeinkopplung erzielt. In der beschriebenen Anordnung wird jedoch mit einer nur vergleichsweise geringen Gleichspannung im Vergleich zur Durchschlagsspannung sowie im Vergleich zur angelegten Hochspannungs-Impulsamplitude gearbeitet. Aufgrund der begrenzten Leistungsfähigkeit von Hochfrequenzgeneratoren ist jedoch auch eine solche Anlage nur geeignet, mittelgroße Volumina mit Plasmen zu füllen. Insbesondere ist bei dem beschriebenen Reaktorsystem ausschließlich eine gute Volumenreaktion, jedoch keine gute Ankopplung insbesondere an zu bearbeitende Oberflächen möglich.Around the very elaborate Generation of high-voltage pulses of high amplitude and peak power to work around is 16th Internal. Symp. On Plasma Chemistry (ISPC 16), Taormina, Italy, June 22-27, 2003 also a problem solving with DC overlay known. This will significantly improve the energy input achieved. In the described arrangement, however, with only one comparatively low DC voltage compared to the breakdown voltage and in comparison to the applied high-voltage pulse amplitude worked. Due to the limited performance of high frequency generators However, such a system is only suitable, medium-sized volumes to fill with plasmas. In particular, in the described reactor system exclusively one Good volume reaction, but not good coupling in particular to surfaces to be processed possible.

Allen bekannten Problemlösungen ist gemeinsam, dass sie entweder keine hohen Leistungsdichten homogen in großen Volumina zu erzeugen vermögen (RF- Mikrowellenanregung, dielektrische Batterieentladung), oder aber in inhomogene Plasmen übergehen (AC-, DC-Korona, Hochdruckglimmentladung). Mit gepulsten Koronaplasmen werden zwar die höchsten Energiedichten erzielt, allerdings ist der technische Aufwand zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen hoher Leistung und hoher Pulswiederholrate sehr hoch, so dass die Kosten für entsprechende Verfahren und Anlagen entsprechend hoch sind.all known problem solutions is common that they either no high power densities homogeneous in big To generate volumes (RF microwave excitation, dielectric battery discharge), or but pass into inhomogeneous plasmas (AC, DC corona, high pressure glow discharge). With pulsed corona plasmas are the highest Energy densities achieved, however, the technical complexity to Generation of high-voltage pulses of high power and high pulse repetition rate very high, so the cost of appropriate procedures and facilities are correspondingly high.

Von obigem Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, das Verfahren zur Erzeugung großflächiger Atmosphärenplasmen zu verbessern und zugehörige, universell einsetzbare Vorrichtungen anzugeben.From Based on the above prior art, it is an object of the invention the process for producing large-scale atmospheric plasmas to improve and related, Specify universally applicable devices.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Abfolge der Maßnahmen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist im Patentanspruch 12 angegeben. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung, insbesondere für unterschiedliche technische Anwendungen, sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.The Task is inventively by the sequence of measures according to claim 1 solved. An associated one Device is specified in claim 12. further developments of the method and the associated Device, in particular for different technical applications are the subject of the dependent claims.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine darauf beruhende Apparatur, mit deren Hilfe ökonomisch großvolumige Plasmen oder Plasmen großen Querschnitts mit hoher Leistungsdichte hergestellt werden können, wobei die Plasmadichte möglichst homogen über das gesamte Reaktorvolumen bzw. den Reaktorquerschnitt verteilt sein soll. Vorteilhaft ist bei der Erfindung, dass einer technisch einfach zu bewerkstelligenden DC-Koronaentladung intensive, kurz dauernde Hochspannungsimpulse mit hoher Impulswiederholrate von einigen 10 Hz bis zu mehreren kHz überlagert werden.The invention relates to a method and an apparatus based thereon, with the aid of which economically large-volume plasmas or plasmas of large cross-section can be produced with high power density, the plasma density being as homogeneous as possible over the entire reactor volume men or the reactor cross section should be distributed. An advantage of the invention is that a technically easy to accomplish DC corona discharge intensive, short lasting high voltage pulses are superimposed with high pulse repetition rate of several 10 Hz up to several kHz.

Überraschenderweise wird bei letzterer Betriebsweise ein äußerst homogenes, großvolumiges Plasma mit hoher Leistungsdichte erzeugt, ohne dass es zu den bei DC- und AC-betriebenen Koronaentladungen bekannten Plasmaeinschnürungen kommt. Wegen der Verwendung einer DC-Spannung kann mit erheblich verringerten Impulsamplituden gegenüber einem vergleichbaren reinen Impulsbetrieb gearbeitet werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei der neuen Problemlösung eine DC-Spannung von solcher Höhe eingesetzt, dass eine stabile DC-Koronaentladung im Reaktorvolumen gerade aufrecht erhalten wird, während beim Stand der Technik mit 15 kV bei einem Reaktordurchmesser von 160 mm die Einsatzspannung einer Koronaentladung deutlich unterschritten wird. Zweck der Gleichspannung ist hier, eine Verbesserung der Impedanzanpassung des Plasmas an den Impulsgenerator zu erzielen, um die Leistungseinkopplung während eines einzelnen Impulses in das Plasma zu optimieren.Surprisingly becomes in the latter mode of operation a very homogeneous, large-volume plasma produced with high power density without it being at DC and AC-driven corona discharges come to known plasma constrictions. Because of using a DC voltage can be considerably reduced Opposite to pulse amplitudes a comparable pure impulse operation are worked. in the Contrary to the prior art, in the new problem solution, a DC voltage of such Height used, that a stable DC corona discharge in the reactor volume is maintained straight while standing the technique with 15 kV at a reactor diameter of 160 mm the Clearance voltage of a corona discharge is well below. The purpose of the DC voltage is here to improve the impedance matching of the plasma to the pulse generator to achieve the power injection during a optimize individual impulse into the plasma.

Bei der Erfindung wird durch die Überlagerung sehr kurzer Impulse von wenigen Mikrosekunden, vorzugsweise sogar weniger als einer Mikrosekunde bis herab zu 100 Nanosekunden, vorteilhafterweise vermieden, dass es zum Aufbau eines elektrischen Durchschlags in der Anordnung kommen kann, durch welchen die homogene Plasmadichteverteilung zeitlich und räumlich stark gestört würde. Mit Hilfe einer Steuerung der Pulswiederholrate kann so zusätzliche zu den anderen Steuerparametern Gleichspannung und Amplitude des Hochspannungsimpulses die Energiedichte und somit der geforderte Prozess in einer bisher nicht bekannten Art und Weise feinst abgestuft gesteuert werden.at The invention is characterized by the superposition very short pulses of a few microseconds, preferably even less than one microsecond down to 100 nanoseconds, advantageously avoided it to build up an electrical breakdown in the arrangement can come, through which the homogeneous plasma density distribution temporally and spatially badly disturbed would. With Help of a control of the pulse repetition rate can be so additional to the other control parameters DC voltage and amplitude of the High voltage pulse the energy density and thus the required Process finely graduated in a previously unknown manner to be controlled.

Beim Stand der Technik gemäß Conf. Rec. of the 1986 IEEE IAS Annual Meeting, Denver, CO, USA, Sept. 28-Oct. 3, 1986, vol. 2 (1986), 1183-1190 werden dagegen Gleichspannungen mit Impulsüberlagerung zum Abbau von SO2, NOx und Staub aus Kraftwerksabgasen verwendet, wobei eine DC-Spannung im Bereich der Koronaeinsatzspannung eingesetzt wird. Dadurch werden die Anforderungen an die Elektronik zur Erzeugung der Hochleistungs-Hochspannungsimpulse für den Einzelimpuls verringert. Weiterhin werden bei obigem Stand der Technik. Gleichspannungen mit Impulsüberlagerung verwendet, um die Anforderung an die Pulsgeneratoramplitude zu reduzieren. Dort wird V(DC) < V (onset) gewählt, damit nicht Energie durch Beschleunigung von Ionen unnötig verbraucht wird. Beiden Arbeiten ist gemeinsam, dass im Wesentlichen die Anforderungen an den Einzelimpuls verringert werden, wogegen bei der hier vorliegenden Erfindung durch Verwendung einer hohen Impulswiederholrate auch bei Gleichspannungen unterhalb der DC-Koronaeinsatzspannung noch eine erhebliche Restionisierung vorliegt und somit die Anforderungen an die Impulsamplitude weiter verringert werden können.At the Prior art according to Conf. Rec. Of the 1986 IEEE IAS Annual Meeting, Denver, CO. 28-Oct. 3, 1986, vol. 2 (1986), 1183-1190, on the other hand, become DC voltages with impulse overlay used for the reduction of SO2, NOx and dust from power plant exhaust gases, where a DC voltage is used in the range of the corona voltage becomes. As a result, the demands on the electronics for production of high power high voltage pulses for the single pulse. Farther be in the above prior art. DC voltages with pulse superposition used to reduce the demand on the pulse generator amplitude. There, V (DC) <V (onset) selected, so that energy is not unnecessarily consumed by acceleration of ions becomes. Both works have in common that essentially the requirements be reduced to the single pulse, whereas in the present here Invention by using a high pulse repetition rate as well at DC voltages below the DC corona voltage still There is a considerable Restionisierung and thus the requirements can be further reduced to the pulse amplitude.

Insbesondere kann ein erheblicher Anteil der in den Reaktor eingekoppelten Leistung dadurch auch durch die impulsunterstützte DC-Korona bereitgestellt werden, so dass sich die natürliche Grenze der Leistungseinkopplung einer DC-Koronaentladung um über eine Größenordnung erhöhen lässt, ohne dass es zum Funkendurchschlag kommt. Beispielsweise konnte dadurch die maximal mögliche Leistungseinkopplung in einen Platte-Drahtgitter-Platte-Reaktor um einen Faktor 3,5 gegenüber dem reinen DC-Betrieb gesteigert werden. Daneben kann bei der Erfindung bei vorzugsweiser Einkopplung über die Hochspannungsimpulse die Impulsamplitude erheblich geringer gehalten werden bei gleicher Leistungsdichte, wenn eine Gleichspannung knapp an der Einsatzgrenze der DC-Koronaentladung verwendet wird. Dies hat insbesondere dann Vorteile, wenn auf minimalen Energiebedarf der Anlage geachtet werden muss, da eine Impulskoronaentladung in einem solcherart betriebenen Reaktor einen um den Faktor 3- bis 4-fach höheren Wirkungsgrad beispielsweise für die Erzeugung von Ozon aufweist wie eine DC-Koronaentladung.Especially can be a significant proportion of coupled into the reactor power thereby also provided by the pulse-assisted DC corona be so that the natural Limit of the power input of a DC corona discharge by more than one Magnitude increase lets, without that it comes to sparking. For example, this could be the maximum possible power input in a plate-wire-grid-plate-reactor by a factor of 3.5 over the pure DC operation can be increased. Besides, in the invention with preferential coupling via the high voltage pulses the pulse amplitude significantly lower held at the same power density when a DC voltage is used just below the operating limit of the DC corona discharge. This has particular advantages when it comes to minimum energy requirements the plant must be respected, since a pulse corona discharge in a reactor operated in this way by a factor of 3 to 4 times higher Efficiency example for the production of ozone has like a DC corona discharge.

Der einfachste Fall eines solcherart betriebenen Koronareaktors ist z. B. eine ebene Draht-Platte-Anordnung, bei dem einem Gleichspannungsfeld am Draht oder mehreren parallelen Drähten eine Impulsspannung überlagert wird, so dass mit Hilfe der gepulsten Spannung eine sehr gleichförmige, großvolumig bzw. über große Querschnitte homogene Plasmaerzeugung ermöglicht wird. Typische Abstände in gasförmigen Medien, insbesondere mit Luft als Arbeitsgas, sind im Bereich von einigen Millimetern bis zu wenigen Zentimetern.Of the The simplest case of such a type operated corona reactor is z. As a planar wire-plate arrangement, in which a DC field on Wire or multiple parallel wires superimposed on a pulse voltage will, so with the help of the pulsed voltage a very uniform, bulky or over size Cross sections homogeneous plasma generation is possible. Typical distances in gaseous media, in particular with air as working gas, are in the range of some Millimeters to a few centimeters.

Die DC-Spannungen sind typischerweise bei einigen Kilovolt bis zu einigen 10 kV, mit gemittelten elektrischen Feldstärken im Bereich von 10 bis 20 kV/cm. Die Amplitude der Hochspannungsimpulse ist vergleichbar mit der angelegten DC-Spannung, d.h. die räumlich gemittelte elektrische Feldstärke der Impulse allein liegt ebenfalls im Bereich von typischerweise 10 kV/cm bis zu einigen 10 kV/cm. Sie ist insbesondere auch abhängig von der verwendeten DC-Komponente, aber auch von der Impulswiederholrate. Bei höheren Impulswiederholraten werden für die gleiche Leistungseinkopplung niedrigere Amplituden benötigt.The DC voltages are typically up to several kilovolts at some 10 kV, with averaged electric field strengths in the range of 10 to 20 kV / cm. The amplitude of the high voltage pulses is comparable with the applied DC voltage, i.e. the spatially average electric field strength the impulse alone is also in the range of typically 10 kV / cm up to a few 10 kV / cm. It is also dependent on the DC component used, but also from the pulse repetition rate. At higher Pulse repetition rates are for the same power input requires lower amplitudes.

Mit den angegebenen Problemlösungen können die technischen Anforderungen an die Leistungsimpulstechnik zur Herstellung der Hochleistungs-Hochspannungsimpulse erheblich gesenkt werden, so dass auch der Einsatz von Impulsgeneratoren mit Halbleitertechnik ermöglicht wird, wogegen beim Stand der Technik gemäß Winands et al., 16th Intern. Symp. on Plasma Chemistry (ISPC 16), Taormina, Italy, June 22-27, 2003 nach wie vor kurzlebige und wartungsaufwändige Funkenstrecken als Schaltelemente benötigt werden.With the specified problem solutions For example, the technical requirements for the power impulse technology for producing the high-power high-voltage impulses can be considerably reduced, so that the use of pulse generators with semiconductor technology is made possible, whereas in the prior art according to Winands et al., 16th Intern. Symp. On Plasma Chemistry (ISPC 16), Taormina, Italy, June 22-27, 2003 still short-lived and maintenance-consuming spark gaps are needed as switching elements.

Insgesamt ist es mit der erfindungsgemäßen Betriebsweise möglich, sehr hohe Plasmadichten und damit sehr hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten mit minimalem Aufwand umzusetzen. Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung aus einer ersten Platte, einem Drahtgitter und einer zweiten Platte, wie sie aus elektrostatischen Staubfiltern bekannt ist, wobei die Anordnung parallel zu den Platten vom gasförmigen Arbeitsmedium durchströmt wird.All in all it is with the operation of the invention possible, very high plasma densities and thus very high processing speeds with implement minimal effort. Particularly advantageous is an arrangement a first plate, a wire mesh and a second plate, as known from electrostatic dust filters, wherein the Arrangement is traversed by the gaseous working medium parallel to the plates.

Neben ebenen Anordnungen, wie z. B. bei Anlagen zur Plasmaaktivierung von Kunststoff- oder Blechbahnen, sind auch nahezu beliebig gekrümmte Anordnungen vorstellbar, solange die Feldverteilung entlang der gekrümmten Plattenoberfläche annähernd homogen gehalten werden kann. Dadurch kann die aktive Oberfläche des Plasmas der zu bearbeitenden Oberfläche optimal angepasst werden, z. B. im Bereich von Transportrollen etc.. Auch einzeln zu bearbeitende Werkstücke mit komplexen Oberflächengeometrien können so im Batchverfahren behandelt werden.Next planar arrangements, such. As in systems for plasma activation of plastic or metal sheets, are also almost arbitrarily curved arrangements conceivable as long as the field distribution along the curved plate surface approximately homogeneous can be held. This allows the active surface of the Plasmas are optimally adapted to the surface to be processed, z. B. in the field of transport rollers, etc. Also to be processed individually workpieces with complex surface geometries can be treated as a batch process.

Auch die bekannten konzentrischen Koronareaktoren mit einem oder mehreren Drähten oder einer Drahtspirale innerhalb eines längs durchströmten Rohres oder einer als Außenleiter dienenden Drahtanordnung können erfindungsgemäß mit der beschriebenen Betriebsweise benutzt werden. Anstelle metallischer Drähte, Platten und Gitter sind bei der Erfindung auch andere gut leitfähige, chemisch inerte Wertstoffe wie z. B. Kohlefasern, Kohlefaserfilze, -gewebe, Graphit oder vergleichbare Elektroden aus glasartigem Kohlenstoff einsetzbar. Sollen Oberflächen von Werkstücken mit dem Plasma beaufschlagt werden, so können bei dünnen Werkstücken diese in den Plasmareaktor selbst eingebracht werden. Selbst schlecht leitende oder isolierende Werkstücke können verwendet werden, da durch die Kombination aus DC- und Impulsbetrieb der Plasmareaktor z. T. wie ein DBD-Reaktor („Dielectric Barrier Discharge") arbeitet. Größere Werkstücke können am Strömungsauslass angeordnet sein. Alternativ können auch eine oder beide der Elektrodenplatten gasdurchlässig sein, so dass ein dahinter liegendes Werkstück durch Diffusion der im Plasma erzeugten reaktiven Komponenten an seiner Oberfläche bearbeitet werden kann.Also the known concentric corona reactors with one or more wires or a wire spiral within a longitudinally flowed pipe or one as an outer conductor serving wire arrangement can according to the invention with described operation can be used. Instead of metallic wires Plates and grids are in the invention, other well-conductive, chemical inert recyclables such. As carbon fibers, carbon fiber felts, fabrics, Graphite or similar glassy carbon electrodes used. Should surfaces of workpieces can be acted upon with the plasma, so in thin workpieces this in the plasma reactor be introduced yourself. Even poorly conductive or insulating Workpieces can be used because of the combination of DC and pulsed operation of the plasma reactor z. T. like a DBD reactor ("Dielectric Barrier Discharge ") works. Larger workpieces can at flow outlet be arranged. Alternatively, too one or both of the electrode plates are gas permeable, leaving behind one lying workpiece by diffusion of the reactive components produced in the plasma its surface can be edited.

In einer anderen Ausführungsform können an Stelle der Platten, eventuell auch anstelle der Drähte, Metallgitter mit geringem Strömungswiderstand eingesetzt und die Anordnung senkrecht zur Oberfläche dieser Gitter vom Arbeitsgas durchströmt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein besonders niedriger Strömungswiderstand zur Beherrschung großer Volumenströme gefordert wird.In another embodiment can on Place the plates, possibly also instead of the wires, metal mesh with low flow resistance used and the arrangement perpendicular to the surface of this Lattice to be flowed through by the working gas. This is particularly advantageous when a particularly low flow resistance to master large flow rates is required.

Als Arbeitsgase kommen sowohl natürliche Luft bzw. Abluft etc. zur Verwendung als auch beliebige Gasgemische von Luft mit geeigneten Beimischungen. Alternativ können auch nahezu beliebige andere Trägergase, z. B. reiner Stickstoff oder Edelgase, in Kombination mit geeigneten Reaktionsgasen eingesetzt werden, um die geforderten chemischen Reaktionen bzw. Reaktionspartner im Gasvolumen oder an Werkstückoberflächen durch plasmachemische Reaktionen zu erzeugen.When Working gases come both natural air or exhaust air etc. for use as well as any gas mixtures of Air with suitable admixtures. Alternatively, almost any other Carrier gases, z. As pure nitrogen or noble gases, in combination with suitable Reaction gases are used to produce the required chemical Reactions or reaction partners in the gas volume or workpiece surfaces by to produce plasma-chemical reactions.

Neben der Behandlung von Volumengasströmen können auch Oberflächen mit dem Plasma zum Zweck der Aktivierung, Funktionalisierung, Reinigung oder Beschichtung behandelt werden. Insbesondere können die zu behandelnden Oberflächen eine Relativbewegung zum Elektrodensystem durchführen, um so z. B. Bahnen von Werkstoffen (Kunststofffolien, Textilien, Papier, Metallfolien, -bleche, etc) mit dem Plasma zu behandeln. In spezifischen Beispielen kann das Werkstück selbst Teil des Reaktors sein und so z. B. eine der Elektrodenplatten bilden. Dies ist insbesondere bei gut leitfähigen Werkstoffen wie me tallisch beschichteten Kunststoffen, Geweben, Papier, aber auch bei Metallfolien und -blechen möglich. Das Werkstück stellt dann in vorteilhafter Weise die geerdete Elektrode des Hochspannungssystems dar. Dadurch ist auch ein Einsatz in Batchprozessen, wie z. B. in der Automobilbranche üblich, möglich. Insbesondere kann die Form des Elektrodensystems dem des zu behandelnden Teils, z. B. einem Karosserieteil, geometrisch angepasst sein, so dass das Werkstück selbst wieder Teil des Plasmareaktoren ist, wodurch eine besonders intensive Kopplung des Plasmas an die zu behandelnde Werkstückoberfläche erfolgt.Next the treatment of volume gas flows can also surfaces with the plasma for the purpose of activation, functionalization, purification or coating. In particular, the a surface to be treated Perform relative movement to the electrode system, so z. B. webs of Materials (plastic films, textiles, paper, metal foils, sheets, etc) with the plasma. In specific examples can the workpiece even be part of the reactor and so z. B. one of the electrode plates form. This is especially for highly conductive materials such as me tallisch coated plastics, fabrics, paper, but also with metal foils and -blechen possible. The workpiece then advantageously provides the grounded electrode of the high voltage system This is also an application in batch processes, such. In usual in the automotive industry, possible. Especially the shape of the electrode system can correspond to that of the part to be treated, z. As a body part, be geometrically adapted, so that the workpiece itself again part of the plasma reactors, which makes a special intensive coupling of the plasma takes place at the workpiece surface to be treated.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den weiteren Patentansprüchen.Further Details and advantages of the invention will become apparent from the following Description of the figures of exemplary embodiments With reference to the drawing in conjunction with the other claims.

Es zeigenIt demonstrate

1 eine Schaltung zur Erzeugung einer Gleichspannung und dieser Gleichspannung überlagerter gepulster Spannung, 1 a circuit for generating a DC voltage and this DC voltage superimposed pulsed voltage,

2 eine graphische Darstellung des Spannungsverlaufes am Reaktor bei kombiniertem DC- und Impulsbetrieb, 2 a graphic representation of the voltage curve at the reactor with combined DC and pulse operation,

3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Platte-Draht-Platte-Reaktor in der Endansicht des Reaktors, 3 a schematic representation of an apparatus according to the invention with a plate-wire-plate reactor in the end view of the reactor,

4 eine Seitenansicht des Drahtrahmens des Reaktors gemäß 3, 4 a side view of the wire frame of the reactor according to 3 .

5 eine Anordnung von Elektroden zur Bearbeitung von flexiblen Materialbahnen, 5 an arrangement of electrodes for processing flexible material webs,

6 eine Anordnung von Elektroden für ebene Materialbahnen und 6 an array of electrodes for flat webs and

7 eine Anordnung mit zwei durchlässigen Gitterelektroden, die von einem Gas durchströmt werden und einem darunter liegenden zu bearbeitenden Werkstück. 7 an arrangement with two transparent grid electrodes, which are traversed by a gas and an underlying workpiece to be machined.

Gleiche Teile sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.Same Parts are in the individual figures with the same reference numerals Mistake. The figures are partly described together.

1 zeigt ein Blockschaltbild zur Betriebsweise eines Reaktors. Mit 1 ist eine Quelle für eine Gleichstrom(DC)-Spannung bezeichnet, wobei der Quelle 1 ein Vorwiderstand mit Widerstandswert R_S vorgeschaltet ist. Mit 3 ist eine Spannungsquelle für eine Impulsspannung bezeichnet, der ein Vorwiderstand mit Widerstandswert R_V und ein Kondensator mit Kapazität C_S vorgeschaltet ist. Die Zweige für die Gleichspannung und für die Impulsspannung sind einander parallel geschaltet. Es ist ein Messgerät 6 zur Messung der Reaktorspannung U_R vorhanden. 1 shows a block diagram of the operation of a reactor. With 1 is a source of a direct current (DC) voltage, the source 1 a series resistor with resistance R _{S is connected} upstream. With 3 is a voltage source for a pulse voltage, which is preceded by a series resistor with resistance R _V and a capacitor with capacitance C _S. The branches for the DC voltage and for the pulse voltage are connected in parallel. It is a measuring device 6 for measuring the reactor voltage U _R available.

Mit 10 und 20 sind zwei plattenförmige Elektroden bezeichnet, die in konstantem Abstand zueinander angeordnet sind. Mit 30 ist eine durchlässige bzw. poröse Innenelektrode bezeichnet.With 10 and 20 are two plate-shaped electrodes referred to, which are arranged at a constant distance from each other. With 30 is a permeable or porous inner electrode.

Die beiden Elektroden 10 und 20 sind mit Erdpotential verbunden. Die mittlere Elektrode 30 liegt auf Hochspannungspotential. Durch die punktierte Darstellung wird verdeutlicht, dass die Elektrode 30 „porös" bzw. gasdurchlässig ist.The two electrodes 10 and 20 are connected to ground potential. The middle electrode 30 is at high voltage potential. The dotted representation clarifies that the electrode 30 "Porous" or gas-permeable.

In 2 ist der Spannungsverlauf bei einem Reaktor gemäß 1 mit kombiniertem DC- und Impulsbetrieb dargestellt. Auf der Abszisse ist die Zeit in Mikrosekunden dargestellt und auf der Ordinate die Spannung in kV. Die Einheiten sind willkürlich gewählt. Mit 21 ist das Niveau der Gleichspannung als Parallele zur Abszisse dargestellt. 22 zeigt die Impulsspannung, welche der Gleichspannung überlagert ist. Es sind einzelne Impulse mit einer Breite im Bereich von < 1 μs bis einige Mikrosekunden vorhanden, wobei die einzelnen Impulse eine stark ansteigende Flanke und eine weniger schnell abfallende Flanke aufweisen. Die Impulswiederholrate liegt typisch zwischen 10 Hz und 10 kHz. Dabei haben die einzelnen Impulse eine solche Amplitude, dass über die vorgegebene Gleichspannung hinaus eine vorgegebene Energiedichte erreicht wird. wie erwähnt, ist die Pulsanstiegszeit dabei kurz im Vergleich zur Pulsabfallszeit. Durch eine solche Art der Impulse wird erreicht, dass elektrische Durchschläge, die zu räumlichen und zeitlichen Störungen in der homogenen Plasmadichteverteilung führen würden, vermieden werden.In 2 is the voltage curve in a reactor according to 1 shown with combined DC and pulse operation. The abscissa shows the time in microseconds and the ordinate the voltage in kV. The units are chosen arbitrarily. With 21 the level of the DC voltage is shown as a parallel to the abscissa. 22 shows the pulse voltage superimposed on the DC voltage. There are individual pulses with a width in the range of <1 microseconds to a few microseconds present, the individual pulses have a strong rising edge and a less rapidly falling edge. The pulse repetition rate is typically between 10 Hz and 10 kHz. The individual pulses have an amplitude such that beyond the predetermined DC voltage, a predetermined energy density is achieved. As mentioned, the pulse rise time is short compared to the pulse fall time. By such a kind of pulses is achieved that electrical breakdowns that would lead to spatial and temporal disturbances in the homogeneous plasma density distribution can be avoided.

In den 3 und 4 sind die wesentlichen Teile eines Plasmareaktors 100 schematisch dargestellt. In diesem Fall besteht der Plasmareaktor 100 aus zwei Platten-Elektroden 10 und 20 entsprechend der 1, wobei zwischen die beiden Platten zumindest ein Draht als gasdurchlässige Elektrode 30 angeordnet ist.In the 3 and 4 are the essential parts of a plasma reactor 100 shown schematically. In this case, there is the plasma reactor 100 from two plate electrodes 10 and 20 according to the 1 wherein between the two plates at least one wire as a gas-permeable electrode 30 is arranged.

Im Einzelnen ist in 3 die Endansicht des Reaktors 100 gezeigt. Ersichtlich ist ein Rahmen 35, der mechanisch zwischen die beiden Platten 10 und 20 eingebracht und als Hochspannungselektrode ausgebildet ist.In detail is in 3 the end view of the reactor 100 shown. A frame is visible 35 which is mechanically between the two plates 10 and 20 introduced and designed as a high voltage electrode.

Der Drahtrahmen 35 wird anhand der Darstellung gemäß 4 verdeutlicht: Es ist ersichtlich, dass im Drahtrahmen 35 Einzeldrähte 31, 31', 31'',..., 31n' gespannt sind, so dass sich die geforderte Gasdurchlässigkeit der Elektrode sowie eine nahezu homogene Feldverteilung im Fernbereich ergibt.The wire frame 35 is determined by the representation according to 4 clarifies: It can be seen that in the wire frame 35 individual wires 31 . 31 ' . 31 '' , ..., 31n ' are stretched so that the required gas permeability of the electrode and a nearly homogeneous field distribution in the far range results.

Konkrete Ausführungen eines Plasmagenerators für spezifische Anwendungen ergeben sich aus den 5 bis 7. Speziell in 5 ist eine gekrümmte Draht-Platte-Anordnung eines Koronareaktors dargestellt, wobei die gekrümmte Anordnung an eine Transportrolle angepasst ist. Damit ist die Bearbeitung von flexiblem Bandmaterial, wie insbesondere Textilien oder Kunststoffen, möglich.Concrete versions of a plasma generator for specific applications result from the 5 to 7 , Specially in 5 a curved wire-plate arrangement of a corona reactor is shown, wherein the curved arrangement is adapted to a transport roller. This makes possible the processing of flexible strip material, in particular textiles or plastics.

Im Einzelnen ist in 5 eine gekrümmte Platte mit 51 bezeichnet. Die Platte 51 ist Segment eines offenen Zylinders. Im Abstand zur gekrümmten Zylinderplatte 51 ist eine Rolle 52 aus massivem Material angeordnet, welche die Gegenelektrode darstellt. Es wird somit eine Elektrodenanordnung mit kon stantem Abstand gebildet, in welcher mittig einzelne Drähte 53 bis 53' bis 53n' angeordnet sind.In detail is in 5 a curved plate labeled 51. The plate 51 is segment of an open cylinder. At a distance to the curved cylinder plate 51 is a role 52 made of solid material, which represents the counter electrode. It is thus formed an electrode assembly with con stantem distance in which centrally individual wires 53 to 53 ' to 53n ' are arranged.

Bei der Anordnung gemäß 5 stellt die zylindrische Platte 51 die erste geerdete Reaktorelektrode dar, während die Massivrolle 52 als Transportrolle die zweite geerdete Reaktorelektrode ist. An die Drähte 53 bis 53n' wird die Hochspannung angelegt. Über die zweite geerdete Reaktorelektrode 52 läuft das zu bearbeitende Material und wird somit jeweils von dem zwischen den beiden Elektroden 51 und 52 gebildeten Plasma beaufschlagt.In the arrangement according to 5 represents the cylindrical plate 51 the first grounded reactor electrode, while the solid roll 52 as the transport roller is the second grounded reactor electrode. To the wires 53 to 53n ' the high voltage is applied. Via the second grounded reactor electrode 52 runs the material to be processed and is thus ever because of the between the two electrodes 51 and 52 applied plasma formed.

Eine entsprechende Anordnung mit speziell ebenen Plattenelektroden ist in 6 dargestellt. Es sind wiederum 61 und 62 zwei massive Plattenelektroden in festem Abstand vorhanden, wobei mittig eine Hochspannungselektrode 63 verläuft. Auf der unteren geerdeten Plattenelektrode 62 ist ein Werkstück 65 beweglich angeordnet. Dieses Werkstück 65 kann beispielsweise eine ebene, nicht-flexible Materialbahn sein. Mit einem Pfeil 64 wird die Relativbewegung zwischen Werkstück 65 und der kompletten Reaktoranordnung verdeutlicht.A corresponding arrangement with specially flat plate electrodes is in 6 shown. It is again 61 and 62 two solid plate electrodes in a fixed distance, wherein a high voltage electrode in the middle 63 runs. On the bottom grounded plate electrode 62 is a workpiece 65 movably arranged. This workpiece 65 may for example be a flat, non-flexible material web. With an arrow 64 becomes the relative movement between workpiece 65 and illustrates the complete reactor arrangement.

In 7 ist gezeigt, dass ein Plasmareaktor gasdurchlässige Gitterelektroden 71 und 72 haben kann. An den Gitterelektroden 71 und 72 liegt die Gleichspannung mit überlagerter Impulsspannung an, wozu ein Netzteil 73 vorhanden ist. Unterhalb der zweiten Gitterelektrode 72 befindet sich ein Werkstück 75, das als Einzelwerkstück ausgebildet sein kann, aber ggf. auch als in horizontaler Richtung verlaufender Bandoberfläche gewählt werden könnte. Die Gasflussrichtung verläuft entsprechend dem Pfeil 74 in vertikaler Richtung, und zwar transversal durch die gitterartigen Elektroden 71 und 72 hindurch.In 7 It is shown that a plasma reactor gas-permeable grid electrodes 71 and 72 may have. At the grid electrodes 71 and 72 is the DC voltage with superimposed pulse voltage, including a power supply 73 is available. Below the second grid electrode 72 there is a workpiece 75 , which may be formed as a single piece of work, but could possibly also be selected as extending in a horizontal direction strip surface. The gas flow direction runs according to the arrow 74 in the vertical direction, and transversely through the grid-like electrodes 71 and 72 therethrough.

Mit letzterer Anordnung ist bei transversalem Gasfluss eine indirekte Bearbeitung der Oberfläche des Werkstückes 75 möglich.With the latter arrangement, in the case of transversal gas flow, an indirect treatment of the surface of the workpiece 75 possible.

Die Anordnungen gemäß den 5 bis 7 zeigen also unterschiedliche konstruktive Ausbildungen für jeweils spezifische Anwendungsfälle, wobei die konstruktiven Merkmale auch in anderen Kombinationen verknüpfbar sind. Insgesamt ergeben sich dadurch nahezu beliebige Anwendungsmöglichkeiten des beschriebenen Plasmagenerators.The arrangements according to the 5 to 7 So show different constructive formations for each specific applications, the structural features can be linked in other combinations. Overall, this results in almost any application of the described plasma generator.

In den 3 bis 7 bestehen die Drähte, Platten und/oder Gitter vorteilhafterweise aus gut leitfähigen, chemisch inerten Werkstoffen. Neben metallischen Materialien kommen dafür insbesondere leitfähige Keramiken oder Gläser in Frage. Auch metallkeramische Werkstoffe (sog. Cermets) oder Werkstoffe auf der Basis von Kohlenstoff sind einsetzbar.In the 3 to 7 The wires, plates and / or grids advantageously consist of highly conductive, chemically inert materials. In addition to metallic materials are in particular conductive ceramics or glasses in question. Also metal-ceramic materials (so-called cermets) or materials based on carbon can be used.

Die technischen Vorteile der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele von Plasmareaktoren sind insbesondere in der hohen Plasmadichte und Leistungsdichte – und zwar auch bei Atmosphärendruck – zu sehen. Es ergeben sich äußerst homogene Plasmen, wobei erheblich verringerte Anforderungen an die Impulsamplitude durch die Verwendung der DC-Komponente zu stellen sind.The technical advantages of the embodiments described above of plasma reactors are particularly high in plasma density and Power density - and although also at atmospheric pressure - to see. This results in extremely homogeneous Plasmas, with significantly reduced requirements for the pulse amplitude through the use of the DC component.

Da jeweils eine einfache Geometrie vorliegt, lassen sich durch leichte Skalierbarkeit bis hin zu industriellen Prozessen bzw. großen Massen und Werkstoffflüssen ausdehnen. Eine besondere Anwendung ist bei so genannten Inline-Prozessen, wie beispielsweise in der Textil-/Metall-/Kunststoff- und Papierbranche zu sehen, wobei jeweils eine hervorragende geometrische Anpassbarkeit gegeben ist.There each has a simple geometry can be easily Scalability up to industrial processes or large masses and material flows expand. A special application is in so-called inline processes, such as in the textile / metal / plastics and paper industry to see, each with an excellent geometric adaptability given is.

Der Aufbau der vorstehend beschriebenen Plasmageneratoren zeichnet sich weiterhin durch Modularität aus, wobei mehrere einfach zu regelnde Steuergrößen gegeben sind. Dies sind die DC-Spannung, die Pulsspannung und die Pulswiederholrate. Weiterhin lässt sich eine von der DC-Spannung unabhängige Steuerung für die Leistungsdichte über die Pulsamplitude realisieren. Damit ist eine erheblich höhere Leistungseinkopplung als im AC-, RF- oder DC-Betrieb durch die gepulste Beaufschlagung möglich.Of the Structure of the plasma generators described above is characterized continue through modularity from, where several easy-to-control control variables are given. these are the DC voltage, the pulse voltage and the pulse repetition rate. Farther let yourself one independent of the DC voltage Control for the power density over the Realize pulse amplitude. This is a considerably higher power input as in AC, RF or DC operation by the pulsed application possible.

Durch die Pulse ergeben sich insgesamt erheblich homogenere Plasmen als im AC-, RF- oder DC-Betrieb. Dadurch ist ein deutlich verringerter Bedarf an Impulsamplitude gegenüber dem reinen Impulsbetrieb möglich, womit verringerte technische Anforderungen an die Impulstechnik verknüpft sind. Dabei ist vorteilhaft, dass beim beschriebenen Plasmareaktor störende Durchschläge vermieden werden, da extrem kurze Impulse kleiner als 1 μs, insbesondere bis in den Nanosekundenbereich, verwendet werden können.By The pulses result in a total of much more homogeneous plasmas than in AC, RF or DC mode. This is a significantly reduced Need for pulse amplitude over the pure impulse mode possible, which reduces technical requirements for the pulse technology connected are. It is advantageous that in the described plasma reactor disturbing punches be avoided because extremely short pulses less than 1 microseconds, in particular up to the nanosecond range, can be used.

Bei den beschriebenen Anordnungen sind als Arbeitsgase beliebige Gasgemische einsetzbar. Dadurch ergibt sich ein breiter Einsatzbereich, beispielsweise für die Gasphasenplasmachemie, für die Oberflächenchemie oder für Oberflächenmodifikationen. Es lässt sich eine Funktionalisierung, eine Schichtabscheidung oder ein Ätzen und Reinigen von Werkstücken realisieren.at The described arrangements are as working gases any gas mixtures used. This results in a broader range of application, for example for the Gas phase plasma chemistry, for the surface chemistry or for Surface modifications. It leaves a functionalization, a layer deposition or an etching and Cleaning workpieces realize.

Durch die quasi-DC-Entladung ergibt sich eine besonders hohe Leistungseinkopplung schon bei relativ geringen Pulsamplituden von wenigen kV bis 10 kV bei gleichzeitig sehr guter Regelbarkeit über die Impulswiederholrate. Die Leistungseinkopplung ist durch die impulsüberlagerte DC-Entladung auch bei höheren Pulsamplituden von einigen 10 kV bei gleichzeitig sehr guter Regelbarkeit über die Impulswiederholrate, Impulsamplitude und den DC-Anteil möglich.By the quasi-DC discharge results in a particularly high power input even at relatively low pulse amplitudes of a few kV to 10 kV with very good controllability via the pulse repetition rate. The power input is also due to the pulse-superimposed DC discharge at higher Pulse amplitudes of some 10 kV with very good controllability over the Pulse repetition rate, pulse amplitude and the DC component possible.

Insgesamt können mit dem beschriebenen Plasmareaktor nicht nur leitfähige, sondern auch isolierende Werkstücke bearbeitet werden, wobei hier der Effekt der dielektrischen Barriereentladung genutzt wird. Dabei können solche Werkstücke auch komplex geformt sein, wobei sich apparativ eine Anpassung der Reaktorgeometrie anbietet.All in all can with the described plasma reactor not only conductive, but also insulating workpieces Here, the effect of the dielectric barrier discharge is being used. It can such workpieces be formed complex, with an apparatus adapting the Reactor geometry offers.

Claims

Method for producing large-area non-thermal atmospheric pressure plasmas with the following measures: - It will generates a DC corona discharge between electrodes, - the DC corona discharge are intense, short lasting high voltage pulses with pulse repetition rates superimposed between a few 10 Hz up to several kHz, - the power input electrical energy into the plasma is predominantly regulated by amplitude, Pulse duration, and pulse repetition rate of the superimposed high voltage pulses controlled.

Method according to claim 1, characterized in that that a homogeneous, large-volume Plasma with high power density is generated, without causing plasma constrictions.

Method according to claim 1, characterized in that that a DC voltage of such height is used that in Reactor volume only in conjunction with superimposed high voltage pulses a stable DC corona discharge is formed.

Method according to one or more of the preceding Claims, characterized in that the total amplitude used (DC voltage + Pulse amplitude) via the static breakdown voltage of the electrode assembly is located.

Method according to claim 4, characterized in that that the total amplitude used is two to five times the static breakdown voltage of the electrode assembly corresponds.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that pulses of a duration of a few microseconds (10 ^-6 s), preferably less than 1 μs (10 ^-6 s) are used.

Method according to Claim 6, characterized that by influencing amplitude, pulse duration, and pulse repetition rate the rate of production of chemically active species in the reactor volume and the associated process will be controlled graduated.

Method according to one or more of the preceding Claims, characterized in that the influencing of amplitude, pulse duration, and / or Pulse repetition rate over the suitably measured density of chemically active species in the Reactor volume is controlled.

Method according to one or more of the preceding Claims, characterized in that the amplitude of the high voltage pulses between 10% and 1000% of the applied DC voltage.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a gas flow is generated perpendicular to the electrode assembly.

Method according to one of claims 1 to 9, characterized that a gas flow is parallel is generated to the electrode assembly.

Device for carrying out the method according to claim 1 or one of claims 2 to 11, with a unit ( 1 . 3 . 73 ) for generating a base DC voltage and a pulse voltage superimposed on the DC voltage and a mechanical arrangement with electrodes ( 10 . 20 . 30 ).

Device according to claim 12, characterized in that the electrode arrangement comprises a combination of at least one first plate ( 10 ) and a gas-permeable electrode ( 30 ), preferably a wire mesh, wherein the first electrode plate ( 10 ) another plate ( 20 ) is assignable.

Device according to claim 13, characterized in that the plates ( 10 . 20 ) and the wire mesh ( 30 ) consist of metallic material.

Device according to claim 12, characterized in that a gas-permeable electrode ( 30 ) is available.

Apparatus according to claim 15, characterized in that the gas-permeable electrode is a grid ( 30 ).

Apparatus according to claim 15, characterized in that instead of the grid, a plurality of parallel wires ( 31 , to 31n ' ) available.

Device according to claim 12, characterized in that that a wire spiral within a longitudinally flowed pipe is available.

Device according to claim 17, characterized in that the parallel wires ( 31 to 31n ' ) by a frame ( 35 ) being held.

Device according to claim 12, characterized in that the electrodes ( 51 . 52 ) are complementary and form a profile, for example a hollow cylinder segment ( 51 ) and a cylinder ( 52 ).

Device according to one of claims 12 to 20, characterized in that the wires ( 31 to 31n ' . 53 to 53n '), Plates ( 10 . 20 ) and / or grid ( 30 . 31 . 32 ) Of highly conductive, chemically inert materials, such. As conductive ceramics or glasses exist.

Device according to claims 14 and 21, characterized that the material is a cermet.

Apparatus according to claim 21, characterized that the material is formed on the basis of carbon, in particular Carbon fibers, felts or fabrics, graphite or glassy carbon.

Apparatus according to claim 13, characterized in that instead of the plates ( 10 . 20 ) only grids ( 71 . 72 ) or other gas-permeable electrodes are present.

Apparatus according to claim 12, characterized in that means for generating a gas flow perpendicular to the electrodes ( 10 . 20 . 30 ) available.

Apparatus according to claim 12, characterized in that means for generating a gas flow parallel to the electrodes ( 10 . 20 . 30 ) available.